【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 存儲(chǔ)容量是指用戶程序存儲(chǔ)器的容量。用戶程序存儲(chǔ)器的容量大，可以編制出復(fù)雜的程序。一般來(lái)說(shuō)，小型 PLC的用戶存儲(chǔ)器容量為幾千字，而大型機(jī)的用戶存儲(chǔ)器容量為幾萬(wàn)字。 （ 2） I/O點(diǎn)數(shù) 輸入 /輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)是 PLC可以接受的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總和，是衡量 PLC性能的重要指標(biāo)。 I/O點(diǎn)數(shù)越多，外部可接的 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備就越多，控制規(guī)模就越大。 （ 3）掃描速度 掃描速度是指 PLC執(zhí)行用戶程序的速度，是衡量 PLC性能的重要指標(biāo)。一般以掃描 1K字用戶程序所需的時(shí)間來(lái)衡量掃描速度，通常以 ms/K字為單位。 PLC用戶手冊(cè)一般給出執(zhí)行各條指令所用的時(shí)間，可以通過(guò)比較各種 PLC執(zhí)行相同的操作所用的時(shí)間，來(lái)衡量掃描速度的快慢。 （ 4）指令的功能與數(shù)量 指令功能的強(qiáng)弱、數(shù)量的多少也是衡量 PLC性能的重要指標(biāo)。編程指令的功能越強(qiáng)、數(shù)量越多， PLC 的處理能力和控制能力也越強(qiáng)，用戶編程也越簡(jiǎn)單和方便，越容易完成復(fù)雜的控制任務(wù)。 （ 5）內(nèi)部元件的種類與數(shù)量 在編制 PLC程序時(shí)，需要用到大量的內(nèi)部元件來(lái)存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。這些元件的種類與數(shù)量越多，表示 PLC的存儲(chǔ)和處理各種信息的能力越強(qiáng)。 （ 6）特殊功能單元 特殊功能單元種類的多少與功能的強(qiáng)弱是衡量 PLC產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)。近年來(lái)各 PLC廠商非常重視特殊功能單元的開(kāi)發(fā)，特殊功能單元種類日益增多，功能越來(lái)越強(qiáng)，使 PLC的控制功能日益擴(kuò)大 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 11 （ 7）可擴(kuò)展能力 PLC 的可擴(kuò)展能力包括 I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展、各種功能模 塊的擴(kuò)展等。在選擇 PLC時(shí)，經(jīng)常需要考慮 PLC的可擴(kuò)展能力。江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 12 PLC的工作原理 PLC內(nèi)外部電路 （ 1）外部電路接線 a) 主電路 b) 控制線路 圖 131 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)電氣控制線路 圖 圖 131 是電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)控制的接觸器電氣控制線路，控制邏輯由交流接觸器 KM線圈、指示燈 HL HL熱繼電器常閉觸頭 FR、停止按鈕 SB起動(dòng)按鈕 SB1及接觸器常開(kāi)輔助觸頭 KM通過(guò)導(dǎo)線連接實(shí)現(xiàn) 。 合上 QS后按下起動(dòng)按鈕 SB1， 則線圈 KM通 電并自鎖，接通指示燈 HL1 所在支路的輔助觸頭 KM 及主電路中的主觸頭， HL1亮、電動(dòng)機(jī) M起動(dòng)；按下停止按鈕 SB2，則線圈 KM斷電，指示燈 HL1滅， M停轉(zhuǎn)。 a)主電路 b)I/O 實(shí)際接線圖 圖 132 電動(dòng)機(jī)全壓起 動(dòng) PLC 控制接線圖 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 13 圖 132 是采用西門子的一款 S7 系列 PLC 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)控制的外部接線圖。主電路保持不變，熱繼電器常閉觸頭 FR、停止按鈕 SB起動(dòng)按鈕 SB1等作為 PLC的輸入設(shè)備接在 PLC的輸入接口上，而交流接觸器 KM線圈、指示燈 HL HL2等作為 PLC的輸出設(shè)備接在 PLC的輸出接口上。按制邏輯通過(guò)執(zhí)行按照電動(dòng)機(jī)全壓控制要求編寫并存入程序存儲(chǔ)器內(nèi)的用戶程序?qū)崿F(xiàn)。 2）建立內(nèi)部 I/O映像區(qū) 在 PLC存儲(chǔ)器內(nèi)開(kāi)辟了 I/O映像存儲(chǔ)區(qū)，用于存放 I/O信號(hào)的狀態(tài)，分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器 ，此外 PLC其它編程元件也有相對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)器，稱為元件映像寄存器。 I/O 映像區(qū)的大小由 PLC 的系統(tǒng)程序確定，對(duì)于系統(tǒng)的每一個(gè)輸入點(diǎn)總有一個(gè)輸入映像區(qū)的某一位與之相對(duì)應(yīng)，對(duì)于系統(tǒng)的每一個(gè)輸出點(diǎn)也都有輸出映像區(qū)的某一位與之相對(duì)應(yīng)，且系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)的編址號(hào)與 I/O映像區(qū)的映像寄存器地址號(hào)也對(duì)應(yīng)。 PLC 工作時(shí)，將采集到的輸入信號(hào)狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上，運(yùn)算結(jié)果存放到輸出映像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上， PLC 在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需描述輸入繼電器的等效觸頭或輸出繼電器的等效觸頭、等效線圈狀態(tài)的數(shù)據(jù)取用于 I/O映像區(qū)，而 不直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。 I/O 映像區(qū)的建立使 PLC 工作時(shí)只和內(nèi)存有關(guān)地址單元內(nèi)所存的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生關(guān)系，而系統(tǒng)輸出也只是給內(nèi)存某一地址單元設(shè)定一個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)。這樣不僅加快了程序執(zhí)行速度，而且使控制系統(tǒng)與外界隔開(kāi)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 3）內(nèi)部等效電路 圖 133 PLC 內(nèi)部等效電路 圖 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 14 圖 133是 PLC的內(nèi)部等效電路，以其中的起動(dòng)按鈕 SB1 為例，其接入接口 輸入映像區(qū)的一個(gè)觸發(fā)器 相連接，當(dāng) SB1接通時(shí)，觸發(fā)器 就被觸發(fā)為“ 1”狀態(tài)，而這個(gè)“ 1”狀態(tài)可被用戶程序直接引用為 觸頭的狀態(tài)，此時(shí) 觸頭與 SB1的通斷狀態(tài)相同，則 SB1接通， “ 1”，反之 SB1斷開(kāi)， “ 0”，由于 觸發(fā)器功能與繼電器線圈相同且不用硬連接線，所以 觸發(fā)器等效為 PLC 內(nèi)部的一個(gè) ，直接引用 個(gè)受 （或稱為動(dòng)合觸頭）。 同理，停止按鈕 SB2 與 PLC 內(nèi)部的一個(gè)軟繼電器線圈 相連接， SB2 閉合， 線圈的狀態(tài)為“ 1”，反之為“ 0”，而繼電器線圈 的狀態(tài)被用戶程序取 反后引用為，所以 （或稱動(dòng)斷觸頭）。而輸出觸頭 、 PLC 內(nèi)部繼電器的物理常開(kāi)觸頭，一旦閉合，外部相應(yīng)的 KM線圈、指示燈 HL1就會(huì)接通。 PLC輸出端有輸出電源用的公共接口 COM。 PLC的 控制系統(tǒng) 用 PLC實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)，其主電路基本保持不變，而用 PLC替代電氣控制線路 [4]。 （ 1） PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的 PLC控制系統(tǒng)可分成輸入電路、輸出電路和內(nèi)部控制電路三個(gè)部分。 a、 輸入電路 部 分 輸入電路的作用是將輸入控制信號(hào)送入 PLC，輸入設(shè)備為按鈕 SB SB2及 FR常閉觸頭。外部輸入的控制信號(hào)經(jīng) PLC輸入到對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸入繼電器，輸入繼電器可提供任意多個(gè)常開(kāi)觸頭和常閉觸頭，供 PLC內(nèi)容控制電路編程使用。 b、 輸出電路 輸出電路的作用是將 PLC 的輸出控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng) KM線圈和 HL1 指示燈的信號(hào)。 PLC 內(nèi)部控制電路中有許多輸出繼電器，每個(gè)輸出繼電器除了 PLC 內(nèi)部 控制電路提供編程用的常開(kāi)觸頭和常閉觸頭外，還為輸出電路提供一個(gè)常開(kāi)觸頭與輸出端口相連，該觸頭稱為內(nèi)部硬觸頭，是一個(gè)內(nèi)部物理常開(kāi)觸頭。通過(guò)該觸頭驅(qū)動(dòng)外部的 KM 線圈和 HL1 指示燈等負(fù)載，而 KM線圈再通過(guò)主電路中 KM主觸頭去控制電動(dòng)機(jī) M的起動(dòng)與停止。驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源由外電部電源提供， PLC的輸出端口中還有輸出電源用的 COM公共端。 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 15 C、 內(nèi)部控制電路 內(nèi)部控制電路由按照被控電動(dòng)機(jī)實(shí)際控制要求編寫的用戶程序形成，其作用是按照用戶程序規(guī)定的邏輯關(guān)系，對(duì)輸入、輸出信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算、處理和判斷，然后得到相應(yīng)的輸出控制信號(hào)， 通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備：電動(dòng)機(jī) M、指示燈 HL1等。 用戶程序通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)通信或編程器輸入等方式，把程序語(yǔ)句全部寫到 PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。用戶程序的修改只需通過(guò)編程器等設(shè)備改變存儲(chǔ)器中的某些語(yǔ)句，不會(huì)改變控制器內(nèi)部接線，實(shí)現(xiàn)了控制的靈活性。 （ 2） PLC控制梯形圖 梯形圖是一種將 PLC內(nèi)部等效成由許多內(nèi)部繼電器的線圈、常開(kāi)觸頭、常閉觸頭或功能程序塊等組成的等效控制線路。 a、 梯形圖中繼電器元件物理結(jié)構(gòu)不同于電氣元件 PLC 梯形圖中的線圈、觸頭只是功能上與電氣元件的線圈、觸頭等效。梯形圖中 的線圈、觸頭在物理意義上只是輸入、輸出存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)位，與電氣元件的物理結(jié)構(gòu)不同。 b、 梯形圖中繼電器元件的通斷狀態(tài)不同于電氣元件 梯形圖中繼電器元件的通斷狀態(tài)與相應(yīng)存儲(chǔ)位上的保存的數(shù)據(jù)相關(guān)，如果該存儲(chǔ)位的數(shù)據(jù)為“ 1”，則該元件處于“通”狀態(tài)，如果該位數(shù)據(jù)為“ 0”，則表示處于“斷”狀態(tài)。與電氣元件實(shí)際的通斷狀態(tài)不同。 c、 梯形圖中繼電器元件狀態(tài)切換過(guò)程不同于電氣元件 梯形圖中繼電器元件的狀態(tài)切換只是 PLC對(duì)存儲(chǔ)位的狀態(tài)數(shù)據(jù)的操作，如果 PLC對(duì)常開(kāi)觸頭等效的存儲(chǔ)位數(shù)據(jù)賦值為“ 1”，就完成動(dòng)合操作過(guò)程，同樣 如對(duì)常閉觸頭等效的存儲(chǔ)位數(shù)據(jù)賦值為“ 0”，就可完成動(dòng)斷操作過(guò)程，切換操作過(guò)程沒(méi)有時(shí)間延時(shí)。而電氣元件線圈、觸頭進(jìn)行動(dòng)合或動(dòng)斷切換時(shí)，必定有時(shí)間延時(shí)，且一般要經(jīng)過(guò)先斷開(kāi)后閉合的操作過(guò)程。 d、 梯形圖中繼電器所屬觸頭數(shù)量與電氣元件不同 如果 PLC從輸入繼電器 “ 0”，將之存入另一個(gè)存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)位，被存入的存儲(chǔ)位就成了受 繼電器控制的一個(gè)常開(kāi)觸頭，被存入的數(shù)據(jù)為“ 0”；如在取出位數(shù)據(jù)“ 0”之后先進(jìn)行取反操作，再存入一個(gè)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)位，則該位存入的數(shù)據(jù)為“ 1”，該存儲(chǔ) 位就成了受繼電器 。 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 16 只要 PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器足夠多，這種位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作就可無(wú)限次進(jìn)行，而每進(jìn)行一次操作，就可產(chǎn)生一個(gè)梯形圖中的繼電器觸頭，由此可見(jiàn)，梯形圖中繼電器觸頭原則上可以無(wú)限次反復(fù)使用。 但是 PLC內(nèi)部的線圈通常只能引用一次，如需重復(fù)使用同一地址編號(hào)的線圈應(yīng)慎之又慎。與 PLC不同的是電氣元件中觸頭數(shù)量是有限的。 梯形圖每一行畫法規(guī)則為從左母線開(kāi)始，經(jīng)過(guò)觸頭和線圈（或功能方框），終止于右母線。一般并聯(lián)單元畫在每行的左側(cè)、輸出線圈則畫在右側(cè)，其余串聯(lián)元件畫在中間。 PLC 的 工作過(guò)程 PLC 上電后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下周而復(fù)始地按一定的順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行等 。 （ 1）上電初始化 PLC上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括硬件初始化， I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設(shè)定及清除內(nèi)部繼電器、復(fù)位定時(shí)器等。 （ 2） CPU自診斷 在每個(gè)掃描周期須進(jìn)行自診斷，通過(guò)自診斷對(duì)電源、 PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語(yǔ)法等進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常， CPU使異常繼電器接通， PLC面板上的異常指示燈 LED亮，內(nèi)部特殊寄存器中存入出錯(cuò)代碼并給出故障顯示標(biāo)志。如果不是致命錯(cuò)誤則進(jìn)入 PLC的停止（ STOP）狀態(tài)；如果是現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，則 CPU被強(qiáng)制停止，等待錯(cuò)誤排除后才轉(zhuǎn)入 STOP狀態(tài)。 （ 3）與外部設(shè)備通信 與外部設(shè)備通信階段， PLC與其他智能裝置、編程器、終端設(shè)備、彩色圖形顯示器、其他 PLC等進(jìn)行信息交換，然后進(jìn)行 PLC工作狀態(tài)的判斷。 PLC有 STOP和 RUN兩種工作狀態(tài)，如果 PLC處于 STOP狀態(tài)，則不執(zhí)行用戶程序，將通過(guò)與編程器等設(shè)備交換信息，完成用戶程序的編輯、修改及調(diào)試任務(wù)；如果 PLC處于 RUN狀態(tài)，則將進(jìn)入掃描過(guò)程，執(zhí)行用戶程序。 （ 4）掃描過(guò)程 以掃描方式把外部輸入信 號(hào)的狀態(tài)存入輸入映像區(qū)，再執(zhí)行用戶程序，并將執(zhí)行結(jié)果輸出存入輸出映像區(qū)，直到傳送到外部設(shè)備。 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 17 PLC上電后周而復(fù)始地執(zhí)行上述工作過(guò)程，直至斷電停機(jī)。 用戶程序循環(huán)掃描 PLC對(duì)用戶程序進(jìn)行循環(huán)掃描分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段 [5]。 （ 1）輸入采樣階段 CPU將全部現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)，如按鈕、限位開(kāi)關(guān)、速度繼電器的通斷狀態(tài)經(jīng) PLC的輸入接口讀入映像寄存器，這一過(guò)程稱為輸入采樣。輸入采樣結(jié)束后進(jìn)入程序執(zhí)行階段后，期間即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，輸入映像寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)不再隨之變化，直至一個(gè)掃描循 環(huán)結(jié)束，下一次輸入采樣時(shí)才會(huì)更新。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。 （ 2）程序執(zhí)行階段 PLC在程序執(zhí)行階段，若不出現(xiàn)中斷或跳轉(zhuǎn)指令，就根據(jù)梯形圖程序從首地址開(kāi)始按自上而下、從左往右的順序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行，掃描過(guò)程中分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中將有關(guān)編程元件的狀態(tài)數(shù)據(jù)“ 0”或“ 1”讀出，并根據(jù)梯形圖規(guī)定的邏輯關(guān)系執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入對(duì)應(yīng)的元件映像寄存器中保存。而需向外輸出的信號(hào)則存入輸出映像寄存器，并由輸出鎖存器保存。 （ 3）輸出處理階段 CPU將輸出映像寄存器的狀態(tài) 經(jīng)輸出鎖存器和 PLC的輸出接口傳送到外部去驅(qū)動(dòng)接觸器和指示燈等負(fù)載。這時(shí)輸出鎖存器保存的內(nèi)容要等到下一個(gè)掃描周期的輸出階段才會(huì)被再次刷新。這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 18 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書 19 第 2 章 基于 PLC的電子鐘控制系統(tǒng)的硬件分析 本章主要是立足于本課題的具體要求，對(duì)西門子 S7200PLC作了主要的概述，分析了主機(jī)單元的 CPU22數(shù)字量擴(kuò)展模塊 EM222以及 LED數(shù)碼管的技術(shù)指標(biāo)等。 S7200PLC 的 概述 S7200PLC 是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種小型 PLC，但其許多功能已經(jīng)達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻與小型機(jī)一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛關(guān)注。特別是 S7200 CPU22X系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方